75W-90和諧電力機車齒輪油的研制

黃蕓琪 廖豐斌 李小剛 周建強 李靈威

1 中國石油上海潤滑油產品設計分公司

2 中國石油昆侖潤滑檢測評定中心

近年來，中國經濟持續(xù)快速增長，鐵路運輸需求也隨之增加，對運輸快捷性的需求也越來越高，由此帶來了電氣化線路的擴張和電力機車的快速發(fā)展。“和諧號”機車由此成為中國高速鐵路發(fā)展的核心力量。

齒輪箱作為軌道交通車輛傳動系統(tǒng)的核心部件，用于將電機輸出的轉速和轉矩傳遞到輪對上，驅動列車行駛，它的性能直接決定軌道通車的動力性和安全性[1]。由于機車車輛運行環(huán)境復雜，齒輪箱易受外部環(huán)境的影響，機車車輛又常常在高速度、重載荷下連續(xù)工作，導致故障率相對較高。

機車齒輪箱主要由齒輪、軸承、軸箱體、緊固件和密封件等部件組成[2]，各部件的失效比例見表1。

表1 齒輪箱失效部位比例

齒輪箱失效部位比例最高的是齒輪和軸承，而齒輪的常見故障有磨損、點蝕、膠合、斷齒等，軸承的常見故障有疲勞損傷、膠合、腐蝕等。齒輪油在箱體中同時潤滑齒輪和軸承，油品的性能優(yōu)劣直接影響齒輪箱的故障發(fā)生程度和故障率[3]。

HXD3C機車是中車集團大連機車車輛有限公司自主研發(fā)的新型大功率交流傳動客貨通用電力機車。該機車在平直道可單機牽引5 000 t貨物列車以120 km/h速度運行[4]。HXD3C型機車轉向架驅動裝置是驅動轉向架行走的動力裝置, 是機車走行部的核心部件, 主要包括滾動抱軸箱裝配、齒輪箱箱體、主從動齒輪等部分[5]?，F(xiàn)在普遍采用EN 10084標準中的優(yōu)質低碳合金鋼材料制造牽引齒輪，用滲碳淬火工藝進行齒面硬化，提高了齒輪的強度、齒面的耐磨性和抗點蝕能力。齒輪選擇斜齒輪，有利于齒輪傳動的平穩(wěn)性并降低傳動噪聲，小齒輪內孔通過過盈套裝在牽引電機轉軸上，大齒輪為整體鍛造式結構過盈套裝在車軸上[6]。HXD3C機車參數(shù)見表2。

表2 HXD3C機車參數(shù)[7]

供圖/黃蕓琪

為保證機車運行安全，要求油品在高速沖擊和高扭矩等苛刻條件下仍具有良好的極壓抗磨性、承載能力和抗點蝕性能；齒輪箱正常運行油溫為90 ℃左右，齒面瞬間溫度可能達到120 ℃，為保障油品能夠滿足電力機車運營維修要求的換油周期，要求油品具有良好的氧化安定性；此外考慮到HXD3C型電力機車在全國各路局具有配屬且運營線路跨度大，要求油品在-30 ℃的極寒條件下仍能為齒輪和軸承提供良好保護，為此要求油品具有優(yōu)異的黏溫特性和低溫流動性。

本文通過對HXD3C型電力機車運行工況開展調研，并對HXN3型鐵路機車在用國外油品進行分析，結合HXD3C型電力機車運行工況和在用油的性能特點，通過實驗室理化性能及臺架試驗的考察，最終成功研制出滿足HXD3C型電力機車潤滑需求的75W-90和諧電力機車齒輪油，產品性能與國外油品相當。

參比油分析及研制產品標準制定

通過對HXD3C型電力機車齒輪箱用油進行調研，該車型齒輪箱潤滑采用75W-90黏度級別車輛齒輪油，該產品滿足API GL-5/MT-1規(guī)格，是一款合成型高性能長壽命齒輪油，可以滿足電力機車高載荷、高速的工況，同時換油周期達到電力機車運營要求的20萬km以上，參比油分析數(shù)據(jù)見表3。

表3 參比油分析數(shù)據(jù)

由參比油分析數(shù)據(jù)可見，該產品在具有優(yōu)異的極壓抗磨性和承載能力的同時，還具備良好的防銹防腐性，此外油品的換油周期為20萬km，要求油品有良好的氧化安定性。

參考參比油的實測數(shù)據(jù)，擬定了所研制的75W-90和諧電力機車齒輪油的技術指標，見表4。

表4 75W-90和諧電力機車齒輪油技術指標

油品研制

基礎油選擇

根據(jù)對參比油的理化分析結果，選擇采用合成型基礎油方案。合成油基礎油具有黏度指數(shù)高、傾點低、閃點高、氧化安定性好、蒸發(fā)損失小等特點，可以滿足高性能齒輪油的需要。采用單一種類PAO可能造成添加劑溶解性不足，進而影響油品的使用性和儲存穩(wěn)定性，因此通過采用PAO與多元醇酯或烷基萘的復配，以提高基礎油的溶解性，從而滿足油品對基礎油的特殊要求?；A油篩選方案見表5。

表5 基礎油方案篩選

從表5可以看出，GO-1的100 ℃運動黏度與競品黏度最為接近，同時-40 ℃低溫表觀黏度測試值較低，與參比油數(shù)據(jù)相比具有優(yōu)勢。

復合劑及其加劑量選擇

結合油品使用工況和競品信息，借鑒前期滿足API GL-5/MT-1規(guī)格車輛齒輪油研究基礎，在GO-1基礎油方案基礎上，復合劑選用RHY4209A[8]，該復合劑在兼顧極壓抗磨性的同時，具備良好的摩擦特性，復合劑加劑量篩選見表6。

表6 復合劑加劑量篩選

由表6數(shù)據(jù)可見，復合劑加劑量為b%時，油品極壓抗磨性能與競品相當，同時在氧化安定性評價中，能夠通過強化版的L-60-1臺架試驗。此外，2個方案的銅片腐蝕數(shù)據(jù)均達不到參比油水平，因此在GO-4方案基礎上對油品防腐蝕性能開展進一步優(yōu)化。

銅腐蝕抑制劑篩選

一般認為，潤滑油中的活性硫或在使用過程中產生的活性硫是造成銅腐蝕的主要原因。潤滑油中的硫元素主要來自含硫的添加劑，包括：含硫抗氧劑，如ZDDP(二烷基二硫代磷酸鋅)等；含硫清凈劑，如硫化烷基酚鹽、磺酸鹽等；含硫極壓抗磨劑等。此外，基礎油中也含有少量的有機硫化物。潤滑油中可以通過添加銅腐蝕抑制劑改善油品的防腐蝕性能。銅腐蝕抑制劑的作用機理有兩種，一種為成膜型，即在金屬表面形成化學膜，阻止金屬及其離子進入油中；另一種是絡合作用，金屬鈍化劑能與金屬離子絡合，對金屬離子產生掩蔽作用。選用目前常用的3種不同類型金屬鈍化劑，考察其在既有配方中的作用效果，結果見表7。

表7 金屬鈍化劑篩選試驗

由表7可以看出，加入金屬鈍化劑后油品的銅片腐蝕試驗結果均有提高，但同等加劑量條件下，加入苯三唑型金屬鈍化劑和雜環(huán)化合物型金屬鈍化劑的油樣銅片腐蝕試驗結果不能達到質量指標要求，加入噻二唑型金屬鈍化劑的油樣與參比油結果相當，因此在配方中引入該類型金屬鈍化劑。

研制油品性能對比

確認油品配方后，對油品各項性能進行分析，結果見表8。

表8 研制的75W-90鐵路機車齒輪油實測數(shù)據(jù)

從表8可以看出，研制的75W-90鐵路機車齒輪油具有優(yōu)異的熱氧化安定性、極壓抗磨性、黏溫特性、低溫流動性、抗泡性等。與國外油品相比，具有更為優(yōu)異的抗磨性能、防腐蝕性能，其余各項理化性能和國外油品基本相當。

應用試驗

研制的75W-90鐵路機車齒輪油在HXD3C機車開展了200 Mm（20萬km）行車試驗。試驗結果表明，研制的75W-90鐵路機車齒輪油具有優(yōu)異的極壓抗磨性能、良好的抗氧化性能及良好的摩擦特性，完全能夠滿足HXD3C機車齒輪箱200 Mm（20萬km）行駛里程的潤滑要求。

結論

☆采用PAO為主要基礎油以及昆侖RHY4209A復合劑研制了75W-90和諧電力機車齒輪油。

☆昆侖RHY4209A以特定劑量加入可以在保證油品的極壓抗磨性能和承載能力的同時保證油品有優(yōu)異的氧化安定性，但對油品的銅片腐蝕性能有一定的影響，而引入噻二唑型金屬鈍化劑可以進行復配并起到協(xié)同效應，從而降低油品對銅片的腐蝕。

☆四球極壓、長周期銅腐蝕試驗以及臺架試驗結果表明，研制油品在極壓性能、防腐性和承載能力等方面均表現(xiàn)出優(yōu)于或等同于參比油的優(yōu)勢，完成了HXD3C機車200 Mm（20萬km）行車試驗，進一步驗證研制的75W-90和諧電力機車齒輪油能夠滿足機車安全運營的潤滑需求。